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特許7413599ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体発光素子及びＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-04
(45)【発行日】2024-01-15
(54)【発明の名称】ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体発光素子及びＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 33/30 20100101AFI20240105BHJP
【ＦＩ】
H01L33/30
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2023137516
(22)【出願日】2023-08-25
【審査請求日】2023-08-25
(31)【優先権主張番号】P 2022139579
(32)【優先日】2022-09-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】506334182
【氏名又は名称】ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】100179903
【弁理士】
【氏名又は名称】福井 敏夫
(72)【発明者】
【氏名】小鹿 優太
(72)【発明者】
【氏名】門脇 嘉孝
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２７０５３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／０８５３４０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／００３５５１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層をこの順に有するIII-V族化合物半導体発光素子であって、前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、
前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、
（ｉ）伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｃ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）は前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）よりも大きく、
（ｉｉ）価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｖ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間にあり、
前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層とで、主とするV族元素が互いに異なることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光素子。
【請求項2】
ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層をこの順に有するIII-V族化合物半導体発光素子であって、
前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、
前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、
（ｉ）伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｃ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）は前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）よりも大きく、
（ｉｉ）価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｖ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間にあり、
前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層との間にアンドープのスペーサ層を有し、前記ｐ型クラッド層及び前記スペーサ層の主とするV族元素が同一である、III-V族化合物半導体発光素子。
【請求項3】
前記スペーサ層の厚さが３００ｎｍ以下である、請求項２に記載のIII-V族化合物半導体発光素子。
【請求項4】
ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層をこの順に有するIII-V族化合物半導体発光素子であって、
前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、
前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、
（ｉ）伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｃ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）は前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）よりも大きく、
（ｉｉ）価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｖ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間にあり、
前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層とが隣接する、III-V族化合物半導体発光素子。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか一項に記載のIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記ｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層上に前記発光層を形成する工程と、
前記発光層上に前記電子ブロック層を形成する工程と、
前記電子ブロック層上に前記ｐ型クラッド層を形成する工程と、
を含むIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、III-V族化合物半導体発光素子及びIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体発光素子における半導体層の半導体材料として、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＳｂＰなどのIII-V族化合物半導体が使用されている。III-V族化合物半導体材料により形成される発光層の組成比を調整することで、半導体発光素子の発光波長を緑色から赤外までと、幅広く調整することが可能である。例えば、波長７５０ｎｍ以上の赤外領域を発光波長とする赤外発光の半導体発光素子であれば、センサー、ガス分析、監視カメラ、通信などの用途で幅広く用いられている。
【0003】
特許文献１では、Ｉｎ及びＰを少なくとも含むＩｎＧａＡｓＰ系III-V族化合物半導体層を複数層積層した半導体積層体において、半導体積層体がｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層をこの順に含み、ｐ型クラッド層の厚みを２４００～９０００ｎｍとする発光素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１９－１８６５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、発光素子のさらなる発光効率の向上が求められている。本発明者らは特許文献１の構造よりも、注入電力あたりの発光出力をさらに向上させること目指して研究を行った。そこで、本発明は、従来の発光素子に比べて、注入電力あたり発光出力が良好なIII-V族化合物半導体発光素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者らは、上述の課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、本発明者らは、以下に述べる本発明を完成させた。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
【0007】
（１）ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層をこの順に有するIII-V族化合物半導体発光素子であって、
前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、
前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、
（ｉ）伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｃ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）は前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）よりも大きく、
（ｉｉ）価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｖ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間にあることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光素子。
前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、
前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、
（ｉ）伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｃ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ）は前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｃｂ）よりも大きく、
（ｉｉ）価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップ（Ｅｖ）は、前記障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間にあることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光素子。
【0008】
（２）前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層とで、主とするV族元素が互いに異なる、前記（１）に記載のIII-V族化合物半導体発光素子。
【0009】
（３）前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層との間にアンドープのスペーサ層を有し、前記ｐ型クラッド層及び前記スペーサ層の主とするV族元素が同一である、前記（１）又は（２）に記載のIII-V族化合物半導体発光素子。
【0010】
（４）前記スペーサ層の厚さが３００ｎｍ以下である、請求項３に前記（１）～（３）のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光素子。
【0011】
（５）前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層とが隣接する、前記（１）～（４）のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光素子。
【0012】
（６）前記（１）～（５）のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記ｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層上に前記発光層を形成する工程と、
前記発光層上に前記電子ブロック層を形成する工程と、
前記電子ブロック層上に前記ｐ型クラッド層を形成する工程と、を含むIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法。
前記ｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層上に前記発光層を形成する工程と、
前記発光層上に前記電子ブロック層を形成する工程と、
前記電子ブロック層上に前記ｐ型クラッド層を形成する工程と、を含むIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、従来の発光素子に比べて注入電力あたりの発光出力が良好なIII-V族化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】シュミレーションソフトを用いて計算した本実施形態の発光層及びその前後の半導体層におけるバンド構造の一例を示す図である。
【図2】本発明に従うIII-V族化合物半導体発光素子の要部の一態様を示す模式断面図である。
【図3】本発明の一実施形態に従うIII-V族化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図4】接合法を用いた本発明の一実施形態に従うIII-V族化合物半導体発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図5】シュミレーションソフトを用いて計算した実施例１、比較例１及び比較例６の発光層及びその前後の半導体層におけるバンド構造を示す図である。
【図6】実施例３のｐ型クラッド層のドーパントの発光層への拡散を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明による実施形態の説明に先立ち、本明細書における諸定義について説明する。
【0016】
＜III-V族化合物半導体層＞
まず、本明細書において単に「III-V族化合物半導体」と称する場合、その組成は一般式：（ＩｎａＧａｂＡｌｃ）（ＰｘＡｓｙＳｂｚ）により表される。ここで、各元素の組成比については以下の関係が成立する。
III族元素について、ｃ＝１－ａ－ｂ，０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１
V族元素について、ｚ＝１－ｘ－ｙ，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１
本発明のIII-V族化合物半導体層はＡｌ，Ｇａ，Ｉｎからなる群より選択される１種又は２種以上のIII族元素と、Ａｓ，Ｓｂ，Ｐからなる群より選択される１種又は２種以上のV族元素により構成される。
まず、本明細書において単に「III-V族化合物半導体」と称する場合、その組成は一般式：（ＩｎａＧａｂＡｌｃ）（ＰｘＡｓｙＳｂｚ）により表される。ここで、各元素の組成比については以下の関係が成立する。
III族元素について、ｃ＝１－ａ－ｂ，０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１
V族元素について、ｚ＝１－ｘ－ｙ，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１
本発明のIII-V族化合物半導体層はＡｌ，Ｇａ，Ｉｎからなる群より選択される１種又は２種以上のIII族元素と、Ａｓ，Ｓｂ，Ｐからなる群より選択される１種又は２種以上のV族元素により構成される。
【0017】
また、III-V族化合物半導体層はＡｌ，Ｇａ，Ｉｎからなる群より選択される１種又は２種以上のIII族元素と、Ａｓ，Ｓｂ，Ｐからなる群より選択される１種のV族元素により構成される場合の組成は、各元素の組成比が以下の関係となる。
III族元素について、ｃ＝１－ａ－ｂ，０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１
V族元素について、ｘ、ｙ、ｚはいずれか一つが１であり、他の２つが０である。
III族元素について、ｃ＝１－ａ－ｂ，０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１
V族元素について、ｘ、ｙ、ｚはいずれか一つが１であり、他の２つが０である。
【0018】
そして、発光層におけるIII-V族化合物半導体層はV族元素が１種類であるとき、III族元素は２種以上の元素を用いて構成されることが好ましく、３種の元素を用いて構成されることがより好ましい。そして、本発明の電子ブロック層におけるIII-V族化合物半導体層は、３種以上の元素を用いて構成されることが好ましい。電子ブロック層をIII族元素とV族元素とで合わせて２種以下の元素とすると、本発明の電子ブロック層と発光層および電子ブロック層とｐ型クラッド層のバンドギャップの位置関係を形成することができる組成の選択肢が限られるためである。
【0019】
ここで、電子ブロック層とｐ型クラッド層とで、主とするＶ族元素が互いに異なることが好ましい。主とするV族元素が互いに異なるとは、一方の層においてV族元素におけるｘ、ｙ、ｚから選ばれる一つが０．５を超えている場合に、他方の層においてV族元素における一方の層において選ばれたｘ、ｙ、ｚとは異なるｘ、ｙ、ｚの一つが０．５を超えていることをいう。後述するｐ型クラッド層中のドーパントの拡散抑制には、互いに異なるV族元素の組成比が、それぞれ０．６以上であることが好ましく、０．８以上であることがさらに好ましい。例えば、ｐ型クラッド層の主とするＶ族元素がＰである場合、電子ブロック層の主とするＶ族元素はＡｓとすることができる。
【0020】
＜組成に基づく格子定数＞
本明細書における混晶の格子定数の算出について説明する。格子定数には基板平面に対して垂直方向（成長方向）と水平方向（面内方向）の２種があるところ、本明細書においては垂直方向の値を用いる。まずベガート則に従い混晶の単純な格子定数を計算する。ＩｎＧａＡｓＰ系（すなわち一般式：（ＩｎａＧａｂ）（ＰｘＡｓｙ））を例として例示すると、物性定数Ａａｂｘｙ（ベガート則による格子定数）は、各組成比（固相比）が既知である場合、擬４元混晶の基になる４つの２元混晶の物性定数Ｂａｘ，Ｂｂｘ，Ｂａｙ，Ｂｂｙ（下記表１の文献値の格子定数）をもとに下記式＜１＞により計算される。
Aabxy=a×x×Bax+b×x×Bbx+a×y×Bay+b×y×Bby ・・・＜１＞
本明細書における混晶の格子定数の算出について説明する。格子定数には基板平面に対して垂直方向（成長方向）と水平方向（面内方向）の２種があるところ、本明細書においては垂直方向の値を用いる。まずベガート則に従い混晶の単純な格子定数を計算する。ＩｎＧａＡｓＰ系（すなわち一般式：（ＩｎａＧａｂ）（ＰｘＡｓｙ））を例として例示すると、物性定数Ａａｂｘｙ（ベガート則による格子定数）は、各組成比（固相比）が既知である場合、擬４元混晶の基になる４つの２元混晶の物性定数Ｂａｘ，Ｂｂｘ，Ｂａｙ，Ｂｂｙ（下記表１の文献値の格子定数）をもとに下記式＜１＞により計算される。
Aabxy=a×x×Bax+b×x×Bbx+a×y×Bay+b×y×Bby ・・・＜１＞
【0021】
【表1】
【0022】
次いで、弾性定数のＣ１１、Ｃ１２についても、上記式＜１＞と同様にして、（ＩｎａＧａｂ）（ＰｘＡｓｙ）の弾性定数のＣ１１ａｂｘｙ、Ｃ１２ａｂｘｙをそれぞれ算出する。
そして、成長用基板の格子定数をａｓとすると、半導体結晶の弾性的性質に基づく格子変形を考慮して下記式＜２＞を適用し、格子変形を考慮した（垂直方向の）格子定数ａａｂｘｙ求めることができる。
aabxy=Aabxy‐2×(as-Aabxy)×C12abxy/C11abxy ・・・＜２＞
ここで、本実施形態においては、ＩｎＰを成長用基板としていることから、成長用基板の格子定数ａｓにはＩｎＰの格子定数を用いればよい。
そして、成長用基板の格子定数をａｓとすると、半導体結晶の弾性的性質に基づく格子変形を考慮して下記式＜２＞を適用し、格子変形を考慮した（垂直方向の）格子定数ａａｂｘｙ求めることができる。
aabxy=Aabxy‐2×(as-Aabxy)×C12abxy/C11abxy ・・・＜２＞
ここで、本実施形態においては、ＩｎＰを成長用基板としていることから、成長用基板の格子定数ａｓにはＩｎＰの格子定数を用いればよい。
【0023】
擬３元混晶の場合は、一般式：（ＩｎａＧａｂＡｌｃ）（Ａｓ））を例とすると下記式＜３＞，＜４＞からバンドギャップＥｇａｂｃｙ及びベガート則による格子定数Ａａｂｃｙを計算することができる。
Aabcy=a×Bay+b×Bby+c×Bcy ・・・＜４＞
なお、III-V族化合物半導体が３元系、５元系又は６元系の場合でも、前述と同様の考えに従って式を変形し、組成波長及び格子定数を求めることができる。また、２元系については上記文献に記載の値を用いることができる。
【数1】
なお、III-V族化合物半導体が３元系、５元系又は６元系の場合でも、前述と同様の考えに従って式を変形し、組成波長及び格子定数を求めることができる。また、２元系については上記文献に記載の値を用いることができる。
【0024】
＜組成に基づく各層の伝導帯側と価電子帯側のバンドギャップ計算＞
STRJapan社製シュミレーションソフト（SiLENSe_Version 6.4）を用い、初期設定状態で各層の組成比の値を入力することでバンド構造を計算した。図１に当該シュミレーションソフトを用いて計算した本実施形態に従う発光層、電子ブロック層、スペーサ層及びクラッド層におけるバンド構造を例示する。当該シュミレーションソフトを用いると、バンド構造を表示すると共に、電子ブロック層のバンドギャップ(Ｅｃ、Ｅｖ)、発光層バリア層のバンドギャップ（Ｅｃｂ、Ｅｖｂ）、スペーサ層及びクラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ、Ｅｖｓ）が算出される。なお、図１ではスペーサ層及びクラッド層のバンドギャップを同一とした場合を例示しているため、スペーサ層及びクラッド層のバンドギャップを揃えている。図中のバンドギャップエネルギーの単位はｅＶであり、「Ｅｃ」から始まる記号が伝導帯におけるそれぞれバンドギャップエネルギーの値であり、「Ｅｖ」から始まる記号が価電子帯のバンドギャップエネルギーの値である。また、当該シュミレーションソフトを用いると、バンド構造を表示すると共に、各層のエネルギーバンドギャップＥｇ（ｅＶ）、伝導帯側の障壁層と井戸層との間のバンドギャップ差である井戸深さ及び、価電子帯側の障壁層と井戸層との間のバンドギャップ差である井戸深さが算出される。そして、エネルギーバンドギャップＥｇから下記式＜５＞
Ｅｇ＝１２３９．８／λ ・・・＜５＞
により換算される波長λで表される各層の組成波長を計算した。
STRJapan社製シュミレーションソフト（SiLENSe_Version 6.4）を用い、初期設定状態で各層の組成比の値を入力することでバンド構造を計算した。図１に当該シュミレーションソフトを用いて計算した本実施形態に従う発光層、電子ブロック層、スペーサ層及びクラッド層におけるバンド構造を例示する。当該シュミレーションソフトを用いると、バンド構造を表示すると共に、電子ブロック層のバンドギャップ(Ｅｃ、Ｅｖ)、発光層バリア層のバンドギャップ（Ｅｃｂ、Ｅｖｂ）、スペーサ層及びクラッド層のバンドギャップ（Ｅｃｓ、Ｅｖｓ）が算出される。なお、図１ではスペーサ層及びクラッド層のバンドギャップを同一とした場合を例示しているため、スペーサ層及びクラッド層のバンドギャップを揃えている。図中のバンドギャップエネルギーの単位はｅＶであり、「Ｅｃ」から始まる記号が伝導帯におけるそれぞれバンドギャップエネルギーの値であり、「Ｅｖ」から始まる記号が価電子帯のバンドギャップエネルギーの値である。また、当該シュミレーションソフトを用いると、バンド構造を表示すると共に、各層のエネルギーバンドギャップＥｇ（ｅＶ）、伝導帯側の障壁層と井戸層との間のバンドギャップ差である井戸深さ及び、価電子帯側の障壁層と井戸層との間のバンドギャップ差である井戸深さが算出される。そして、エネルギーバンドギャップＥｇから下記式＜５＞
Ｅｇ＝１２３９．８／λ ・・・＜５＞
により換算される波長λで表される各層の組成波長を計算した。
【0025】
＜各層の膜厚及び組成＞
また、形成される各層の厚さ全体は、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の厚さのそれぞれは、光干渉式膜厚測定器及び透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、超格子構造に類する程度に各層の厚さが数ｎｍ程度で小さい場合にはＴＥＭ－ＥＤＳを用いて厚さを測定することができ、本明細書における各層の組成比（固相比）については、ＳＩＭＳ分析することにより得られた値を用いることとする。本明細書における発光層の各層の組成比（固相比）、電子ブロック層の組成比、スペーサ層の組成比については、（ｎ層側からの）エッチングにより発光層の最上層付近を露出させた後、発光層の厚さ方向にＳＩＭＳ分析（四重極型）を実施することにより得られた値を用いることとする。なお、ＳＩＭＳ分析結果に対して、各層の厚さ方向の中央部における各層の半分の厚さ範囲の平均元素濃度の値を使用するものとする。製造時においては、単膜で成長したものについてXRD測定による格子定数とPL測定による発光中心波長をＥｇに換算した値を用いて固相比を算出することで目的の組成比となる成長条件を決め、当該成長条件を用いて目的の組成比を持つ層を積層すればよい。
また、形成される各層の厚さ全体は、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の厚さのそれぞれは、光干渉式膜厚測定器及び透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、超格子構造に類する程度に各層の厚さが数ｎｍ程度で小さい場合にはＴＥＭ－ＥＤＳを用いて厚さを測定することができ、本明細書における各層の組成比（固相比）については、ＳＩＭＳ分析することにより得られた値を用いることとする。本明細書における発光層の各層の組成比（固相比）、電子ブロック層の組成比、スペーサ層の組成比については、（ｎ層側からの）エッチングにより発光層の最上層付近を露出させた後、発光層の厚さ方向にＳＩＭＳ分析（四重極型）を実施することにより得られた値を用いることとする。なお、ＳＩＭＳ分析結果に対して、各層の厚さ方向の中央部における各層の半分の厚さ範囲の平均元素濃度の値を使用するものとする。製造時においては、単膜で成長したものについてXRD測定による格子定数とPL測定による発光中心波長をＥｇに換算した値を用いて固相比を算出することで目的の組成比となる成長条件を決め、当該成長条件を用いて目的の組成比を持つ層を積層すればよい。
【0026】
＜ｐ型、ｎ型及びｉ型並びにドーパント濃度＞
本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型層と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型層と称する。一方、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にｐ型又はｎ型として機能しない場合、「ｉ型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのIII-V族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあって良い。具体的には、ドーパント濃度が低い（例えば７．６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満）場合、「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。同様に、発光層のｎ型ドーパント（例えばＳｉ、Ｓ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｏ等の）不純物濃度（「ドーパント濃度」）の値もＳＩＭＳ分析によるものとする。なお、各半導体層の境界付近においてドーパント濃度の値は大きく変移するため、厚さ方向の中央におけるドーパント濃度の値をその層のドーパント濃度の値とする。
本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型層と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型層と称する。一方、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にｐ型又はｎ型として機能しない場合、「ｉ型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのIII-V族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあって良い。具体的には、ドーパント濃度が低い（例えば７．６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満）場合、「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。同様に、発光層のｎ型ドーパント（例えばＳｉ、Ｓ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｏ等の）不純物濃度（「ドーパント濃度」）の値もＳＩＭＳ分析によるものとする。なお、各半導体層の境界付近においてドーパント濃度の値は大きく変移するため、厚さ方向の中央におけるドーパント濃度の値をその層のドーパント濃度の値とする。
【0027】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に例示説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。各図において、説明の便宜上、基板及び各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。
【0028】
（III-V族化合物半導体発光素子）
図２に、本発明に従うIII-V族化合物半導体発光素子１００の要部を示す。III-V族化合物半導体発光素子１００は、ｎ型クラッド層３１、発光層４０、ｐ型クラッド層７１をこの順に有し、発光層４０とｐ型クラッド層７１との間に、アンドープの電子ブロック層４３を有する。そして、発光層４０では、障壁層４１と井戸層４２とを繰り返し積層した積層構造を有する。障壁層４１と井戸層４２は、互いに組成比が異なる。
図２に、本発明に従うIII-V族化合物半導体発光素子１００の要部を示す。III-V族化合物半導体発光素子１００は、ｎ型クラッド層３１、発光層４０、ｐ型クラッド層７１をこの順に有し、発光層４０とｐ型クラッド層７１との間に、アンドープの電子ブロック層４３を有する。そして、発光層４０では、障壁層４１と井戸層４２とを繰り返し積層した積層構造を有する。障壁層４１と井戸層４２は、互いに組成比が異なる。
【0029】
そして、III-V族化合物半導体発光素子１００において、（ｉ）伝導帯において、電子ブロック層４３のバンドギャップ（Ｅｃ）は、障壁層４１のバンドギャップ（Ｅｃｂ）及びｐ型クラッド層７１のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きく、かつ、ｐ型クラッド層７１のバンドギャップ（Ｅｃｓ）は障壁層４１のバンドギャップ（Ｅｃｂ）よりも大きい。さらに、III-V族化合物半導体発光素子１００において、（ｉｉ）価電子帯において、電子ブロック層４３のバンドギャップ（Ｅｖ）は、障壁層４１のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、ｐ型クラッド層７１のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間にある。これら（ｉ）、（ｉｉ）の条件を満たすように設計することで、III-V族化合物半導体発光素子１００の注入電力あたりの発光出力を従来の半導体発光素子よりも改善でき、少なくとも同一の波長領域の発光波長を有するIII-V族化合物半導体発光素子で比べた時に、注入電力あたりのより高い発光出力を達成できることを、本発明者らは実験的に見出した。
【0030】
伝導帯及び価電子帯において、電子ブロック層４３、障壁層４１、ｐ型クラッド層７１のバンドギャップの関係は、上記の本発明のバンドギャップの設計条件を不等号を用いて表すと、伝導帯はＥｃ＞ＥｃｂかつＥｃ＞Ｅｃｓであり、価電子帯はＥｖｂ＞ＥｖかつＥｖ＞Ｅｖｓである。本設計条件の不等号における各バンドギャップの値の差は０．０３０ｅＶ以上とすることができる。そして、伝導帯のバンドギャップの関係において、Ｅｃ－Ｅｃｂの値は、０．１２０ｅＶ以上であることが好ましく、０．１５０ｅＶ以上であることがより好ましい。Ｅｃ－Ｅｃｓの値は、０．０６０ｅＶ以上であることが好ましく、０．１２０ｅＶ以上であることがより好ましい。また、Ｅｃ－Ｅｃｂの値は、Ｅｃ－Ｅｃｓの値よりも０．０３０ｅＶ以上大きい（Ｅｃｓ－Ｅｃｂの値が０．０３０ｅＶ以上である）ことが好ましい。そして、価電子帯のバンドギャップの関係においては、Ｅｖｂ－Ｅｖの値は０．０６０ｅＶ以上であることが好ましい。また、Ｅｖ－Ｅｖｓの値は０．０６０ｅＶ以上であることが好ましい。
【0031】
アンドープの電子ブロック層４３を設けた際の価電子帯のバンドギャップ（Ｅｖ）が、障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間に位置するように電子ブロック層４３を設計するには、電子ブロック層とｐ型クラッド層とで、主とするＶ族元素が互いに異なることが好ましい。電子ブロック層とｐ型クラッド層とで、主とするＶ族元素が同じである場合、伝導帯において、電子ブロック層４３のバンドギャップ（Ｅｃ）がｐ型クラッド層７１のバンドギャップ（Ｅｃｓ）よりも大きくなるようにすると、価電子帯のバンドギャップ（Ｅｖ）は、ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）よりも小さくなることが通常であるため、価電子帯のバンドギャップ（Ｅｖ）が、障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間に位置するようにすることは困難である。
【0032】
障壁層４１及び井戸層４２における主とするV族元素はｐ型クラッド層７１と異なるものとすることが好ましく、主とするV族元素はＡｓ又はＳｂであることがより好ましい。さらに好ましくは、V族元素を1種類に限定することによって、井戸層４２と障壁層４１の境界におけるV族元素の拡散現象を無くすことができる。また、主とするV族元素をｐ型クラッド層７１と異なるものとすることで、電子ブロック層を介在させることによる効果よりは弱いものの、ｐ型不純物の発光層での拡散を抑制することができる。
【0033】
本発明の効果を奏する範囲であれば、種々の変更は可能である。例えば、本実施形態のように障壁層４１と井戸層４２による積層体が量子井戸構造全体に及ぶ場合だけでなく、障壁層４１と井戸層４２による積層体は量子井戸構造の一部であって、他の積層体との組み合わせによってバンド構造に山や谷を設けてもよい。
【0034】
＜発光層＞
以下、本発明の実施形態における発光層４０の各構成の詳細についてさらに説明する。
以下、本発明の実施形態における発光層４０の各構成の詳細についてさらに説明する。
【0035】
－膜厚－
発光層４０の全体の膜厚は制限されないものの、例えば０．１μｍ～８μｍとすることができる。また、発光層４０の積層体における障壁層４１、井戸層４２の各層の膜厚も制限されないものの、例えば１ｎｍ以上１５ｎｍ以下程度とすることができる。各層の膜厚は互いに同じでもよいし、異なってもよい。また、障壁層４１同士の膜厚に関し、積層体内で同じでもよいし異なっていてもよい。井戸層４２同士の膜厚の膜厚同士についても同様である。ただし、障壁層４１同士の膜厚及び井戸層４２同士の膜厚を同一にして発光層４０を超格子構造とすることは、本発明における好ましい態様の一つである。
発光層４０の全体の膜厚は制限されないものの、例えば０．１μｍ～８μｍとすることができる。また、発光層４０の積層体における障壁層４１、井戸層４２の各層の膜厚も制限されないものの、例えば１ｎｍ以上１５ｎｍ以下程度とすることができる。各層の膜厚は互いに同じでもよいし、異なってもよい。また、障壁層４１同士の膜厚に関し、積層体内で同じでもよいし異なっていてもよい。井戸層４２同士の膜厚の膜厚同士についても同様である。ただし、障壁層４１同士の膜厚及び井戸層４２同士の膜厚を同一にして発光層４０を超格子構造とすることは、本発明における好ましい態様の一つである。
【0036】
－積層組数－
図２を参照する。障壁層４１及び井戸層４２の両者の組数は制限されないものの、例えば３組以上５０組以下とすることができる。積層体の一端を障壁層４１とし、他端を井戸層４２とすることができる。この場合、障壁層４１及び井戸層４２の組数はｎ組（ｎは自然数である）であると表記する。
図２を参照する。障壁層４１及び井戸層４２の両者の組数は制限されないものの、例えば３組以上５０組以下とすることができる。積層体の一端を障壁層４１とし、他端を井戸層４２とすることができる。この場合、障壁層４１及び井戸層４２の組数はｎ組（ｎは自然数である）であると表記する。
【0037】
また、積層体の一端を障壁層４１とし、井戸層４２及び障壁層４１の繰り返し構造を設けて他端を障壁層４１としてもよい。あるいはその逆に両端を井戸層４２としてもよい。この場合、障壁層４１及び井戸層４２の組数をｎ（ｎは自然数である）と表記し、ｎ．５組であると言うこととする。図２では積層体の両端を障壁層４１として図示している。
【0038】
－組成比－
組成波長差及び格子定数差の条件を満足する限りは、障壁層４１、井戸層４２の各層の一般式：（ＩｎａＧａｂＡｌｃ）（ＰｘＡｓｙＳｂｚ）で表されるIII-V族化合物半導体の組成比ａ，ｂ，ｃ，ｘ，ｙ，ｚは制限されない。ただし、発光層４０の結晶性の悪化を抑制するために、組成比の選択範囲は、成長用基板と発光層４０中の障壁層４１及び井戸層４２のそれぞれとの間の格子定数差の比をいずれも１％以下とすることが好ましい。すなわち、成長用基板と障壁層４１の格子定数差の絶対値を成長用基板と障壁層４１の平均値で割った値と、成長用基板と井戸層４２の格子定数差の絶対値を成長用基板と井戸層４２の平均値で割った値がいずれも１％以下であることが好ましい。例えば発光中心波長を１０００ｎｍ以上１９００ｎｍ以下とする場合、成長用基板をＩｎＰ基板とすれば、各層におけるＩｎの組成比ａを０．０以上１．０以下、Ｇａの組成比ｂを０．０以上１．０以下、Ａｌの組成比ｃを０．０以上０．３５以下、Ｐの組成比ｘを０．０以上０．９５以下、Ａｓの組成比ｙを０．１５以上１．０以下、Ｓｂの組成比ｚを０．０以上０．７以下とすることができる。これらの範囲内から組成波長差及び格子定数差の比の条件を満足するよう、適宜設定すればよい。上記発光中心波長は一例に過ぎず、例えばＩｎＧａＡｓＰ系半導体やＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体である場合には発光中心波長を１０００ｎｍ以上２２００ｎｍ以下の範囲内とすることができ、発光中心波長を１３００ｎｍ以上とすることが好ましく、１４００ｎｍ以上とすることがより好ましい。Ｓｂを含む場合にはさらに長波長（１１μｍ以下）の赤外線とすることができる。
組成波長差及び格子定数差の条件を満足する限りは、障壁層４１、井戸層４２の各層の一般式：（ＩｎａＧａｂＡｌｃ）（ＰｘＡｓｙＳｂｚ）で表されるIII-V族化合物半導体の組成比ａ，ｂ，ｃ，ｘ，ｙ，ｚは制限されない。ただし、発光層４０の結晶性の悪化を抑制するために、組成比の選択範囲は、成長用基板と発光層４０中の障壁層４１及び井戸層４２のそれぞれとの間の格子定数差の比をいずれも１％以下とすることが好ましい。すなわち、成長用基板と障壁層４１の格子定数差の絶対値を成長用基板と障壁層４１の平均値で割った値と、成長用基板と井戸層４２の格子定数差の絶対値を成長用基板と井戸層４２の平均値で割った値がいずれも１％以下であることが好ましい。例えば発光中心波長を１０００ｎｍ以上１９００ｎｍ以下とする場合、成長用基板をＩｎＰ基板とすれば、各層におけるＩｎの組成比ａを０．０以上１．０以下、Ｇａの組成比ｂを０．０以上１．０以下、Ａｌの組成比ｃを０．０以上０．３５以下、Ｐの組成比ｘを０．０以上０．９５以下、Ａｓの組成比ｙを０．１５以上１．０以下、Ｓｂの組成比ｚを０．０以上０．７以下とすることができる。これらの範囲内から組成波長差及び格子定数差の比の条件を満足するよう、適宜設定すればよい。上記発光中心波長は一例に過ぎず、例えばＩｎＧａＡｓＰ系半導体やＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体である場合には発光中心波長を１０００ｎｍ以上２２００ｎｍ以下の範囲内とすることができ、発光中心波長を１３００ｎｍ以上とすることが好ましく、１４００ｎｍ以上とすることがより好ましい。Ｓｂを含む場合にはさらに長波長（１１μｍ以下）の赤外線とすることができる。
【0039】
－ドーパント－
発光層４０における各層のドーパントは制限されないものの、障壁層４１、井戸層４２のいずれもｉ型とすることが本発明効果を確実に得るためには好ましい。ただし、各層についてｎ型又はｐ型ドーパントをドープしてもよい。
発光層４０における各層のドーパントは制限されないものの、障壁層４１、井戸層４２のいずれもｉ型とすることが本発明効果を確実に得るためには好ましい。ただし、各層についてｎ型又はｐ型ドーパントをドープしてもよい。
【0040】
＜ｎ型クラッド層＞
発光層４０の一方の側には、ｎ型クラッド層３１が設けられる。発光層４０のIII-V族化合物半導体の組成に応じてｎ型クラッド層３１のIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。発光層４０がＩｎＧａＡｓＰ系半導体やＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体で構成される場合には、例えばｎ型ＩｎＰ層を用いることができる。ｎ型クラッド層３１は単層構造であってもよいし、複数層が積層された複合層であっても構わない。ｎ型クラッド層の厚さとして１μｍ以上５μｍ以下を例示することができる。
発光層４０の一方の側には、ｎ型クラッド層３１が設けられる。発光層４０のIII-V族化合物半導体の組成に応じてｎ型クラッド層３１のIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。発光層４０がＩｎＧａＡｓＰ系半導体やＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体で構成される場合には、例えばｎ型ＩｎＰ層を用いることができる。ｎ型クラッド層３１は単層構造であってもよいし、複数層が積層された複合層であっても構わない。ｎ型クラッド層の厚さとして１μｍ以上５μｍ以下を例示することができる。
【0041】
＜ｐ型クラッド層＞
発光層４０の他方の側には、ｐ型クラッド層７１が設けられる。発光層４０のIII-V族化合物半導体の組成に応じてｐ型クラッド層７１を構成するIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよく、ｐ型ＡｌＩｎＰを例示することができる。ｐ型クラッド層７１は単層構造であってもよいし、複数層が積層された複合層であっても構わない。ｐ型クラッド層７１の膜厚は特に制限されず、１μｍ以上５μｍ以下とすることができる。
発光層４０の他方の側には、ｐ型クラッド層７１が設けられる。発光層４０のIII-V族化合物半導体の組成に応じてｐ型クラッド層７１を構成するIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよく、ｐ型ＡｌＩｎＰを例示することができる。ｐ型クラッド層７１は単層構造であってもよいし、複数層が積層された複合層であっても構わない。ｐ型クラッド層７１の膜厚は特に制限されず、１μｍ以上５μｍ以下とすることができる。
【0042】
＜電子ブロック層＞
図２において、電子ブロック層４３は発光層４０直上に隣接して設けられる。電子ブロック層４３は一般的に、発光層４０として機能する量子井戸構造（ＭＱＷ）とｐ型クラッド層７１との間に設けることにより、電子を堰止めして、電子を発光層４０（ＭＱＷの場合には井戸層）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。従来、このような電子ブロック層４３は、発光出力向上のために伝導帯のバンドギャップＥｃを大きくするような設計にすると、価電子帯のバンドギャップ（ポテンシャル）Ｅｖが下がってしまうのが通常であった。しかしながら、本発明では、こうした技術常識に反して、アンドープの電子ブロック層４３を設けた際の価電子帯のバンドギャップ（ポテンシャル）Ｅｖが上がるように電子ブロック層４３を設計することにより、注入電力あたりの発光出力を向上させることが出来ることを本発明者らは見出した。なお、電子ブロック層４３の厚みは、例えば６ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがより好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
図２において、電子ブロック層４３は発光層４０直上に隣接して設けられる。電子ブロック層４３は一般的に、発光層４０として機能する量子井戸構造（ＭＱＷ）とｐ型クラッド層７１との間に設けることにより、電子を堰止めして、電子を発光層４０（ＭＱＷの場合には井戸層）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。従来、このような電子ブロック層４３は、発光出力向上のために伝導帯のバンドギャップＥｃを大きくするような設計にすると、価電子帯のバンドギャップ（ポテンシャル）Ｅｖが下がってしまうのが通常であった。しかしながら、本発明では、こうした技術常識に反して、アンドープの電子ブロック層４３を設けた際の価電子帯のバンドギャップ（ポテンシャル）Ｅｖが上がるように電子ブロック層４３を設計することにより、注入電力あたりの発光出力を向上させることが出来ることを本発明者らは見出した。なお、電子ブロック層４３の厚みは、例えば６ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがより好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
【0043】
上述のとおり、アンドープの電子ブロック層４３を設けた際の価電子帯のバンドギャップ（Ｅｖ）が、障壁層のバンドギャップ（Ｅｖｂ）と、ｐ型クラッド層のバンドギャップ（Ｅｖｓ）との間に位置するように電子ブロック層４３を設計するには、電子ブロック層とｐ型クラッド層とで、主とするＶ族元素が互いに異なることが好ましい。しかしながら、主とするＶ族元素が異なる層であっても格子定数差が少ない状態でエピタキシャル成長できないと、格子定数差に起因した欠陥の発生によって発光効率が低下してしまう。そこで、発光層と電子ブロック層の格子定数差、および、電子ブロック層とｐ型クラッド層との格子定数差は、０．５４％以下となるように組成範囲を調整することが好ましい。例えば発光層４０を発光中心波長が１３００ｎｍ以上のＩｎＧａＡｌＡｓ系とし、ｐ型クラッド層７１をＩｎＰとして、ＩｎＰの格子定数を基準として素子設計する場合を例にすると、電子ブロック層４３を主とするＶ族元素をＡｓとしたＩｎａＧａｂＡｌｃＡｓとし、Ｉｎの組成比ａを０．５１以上０．５７以下、Ｇａの組成比ｂを０．０以上０．１３以下、Ａｌの組成比ｃを０．４６以上０．４９以下とすることができる。発光層とｐクラッド層によっても設計条件が変わるが、本発明の条件を満足するよう、適宜設定すればよい。
【0044】
＜スペーサ層＞
また、電子ブロック層４３とｐ型クラッド層７１との間には、すなわち半導体積層構造のｐ側には、ｐ型クラッド層７１と主とするV族元素が同一であるアンドープのスペーサ層５２を形成しても良い。この場合、電子ブロック層４３とスペーサ層５２とでは、主とするV族元素が互いに異なることが好ましい。スペーサ層５２の厚さは３２０ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。スペーサ層５２は、ｐ型クラッド層７１と組成が同一であっても良い。
また、電子ブロック層４３とｐ型クラッド層７１との間には、すなわち半導体積層構造のｐ側には、ｐ型クラッド層７１と主とするV族元素が同一であるアンドープのスペーサ層５２を形成しても良い。この場合、電子ブロック層４３とスペーサ層５２とでは、主とするV族元素が互いに異なることが好ましい。スペーサ層５２の厚さは３２０ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。スペーサ層５２は、ｐ型クラッド層７１と組成が同一であっても良い。
【0045】
スペーサ層５２を設けることで、ｐ型クラッド層７１のドーパントの発光層４０への拡散を抑制することができ、その結果、発光出力を向上させることができる。また、本発明においては電子ブロック層４３を設けていることで、スペーサ層５２を薄くしても十分にドーパント拡散防止の効果を保つことができるので、厚いスペーサ層を有する従来型のIII-V族化合物半導体発光素子と比べて、さらに発光出力を向上させることが出来る。
【0046】
例えばｐ型ＩｎＰクラッド層に対してスペーサ層５２がｉ型ＩｎＰスペーサ層のように主とするＶ族元素が同じであるとしても、不純物を含まないことによってｐ型ＩｎＰクラッド層からのドーパントの拡散防止効果がある。そして、本発明の主とするＶ族元素が異なる電子ブロック層４３を形成する場合には、電子ブロック層において強いドーパント拡散防止効果があることから、従来よりも薄いスペーサ層５２とすることが出来る。そうして、本発明の電子ブロック層４３を介したスペーサ層５２は薄い方が発光出力を向上させることが出来るため、スペーサ層５２の厚さは３２０ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また、発光層４０のｎ側にスペーサ層３２を設けることも好ましい。ｎ側のスペーサ層３２は、アンドープのIII-V族化合物半導体層とすることができ、例えばｉ型ＩｎＰスペーサ層を用いることが好ましい。ｎ側のスペーサ層３２の厚さは制限されないが、例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよい。
【0047】
なお、電子ブロック層４３とｐ型クラッド層７１とは隣接していてもよい。この場合も電子ブロック層４３とｐ型クラッド層７１とで、主とするV族元素が互いに異なることが好ましい。上述した電子ブロック層４３によるドーパント拡散抑制効果により、従来よりもスペーサ層５２の厚みを薄くすることが期待できる。
【0048】
以下では、本発明のIII-V族化合物半導体発光素子の具体的構成の限定を意図するものではないが、本発明のIII-V族化合物半導体発光素子が更に備えることのできる具体的態様についてさらに説明する。図３を参照して本発明の一実施形態に従うIII-V族化合物半導体発光素子１００を説明する。
【0049】
本発明の一実施形態に従うIII-V族化合物半導体発光素子１００は上述した積層体を有する発光層４０を少なくとも備え、さらに、支持基板１０、介在層２０、ｎ型クラッド層３１、ｎ側のスペーサ層３２及びｐ側のスペーサ層５２、ｐ型半導体層７０の中から所望の構成をこの順に備えることが好ましい。また、III-V族化合物半導体発光素子１００のｐ型半導体層７０上にはｐ型電極８０を、支持基板１０の裏面にはｎ型電極９０をさらに備えることができる。発光層４０はｎ型クラッド層３１及びｐ型半導体層７０に挟持されることにより、発光層４０への通電により発光層４０内で電子及び正孔で結合して発光する。
【0050】
＜成長用基板＞
成長用基板は発光層４０の組成に応じて、ＩｎＰ基板、ＩｎＡｓ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＳｂ基板、ＩｎＳｂ基板などの化合物半導体基板から適宜選択すればよい。各基板の導電型については成長用基板上の半導体層の導電型に対応させることが好ましく、本実施形態に適用可能な化合物半導体基板としてｎ型ＩｎＰ基板及びｎ型ＧａＡｓ基板を例示することができる。
成長用基板は発光層４０の組成に応じて、ＩｎＰ基板、ＩｎＡｓ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＳｂ基板、ＩｎＳｂ基板などの化合物半導体基板から適宜選択すればよい。各基板の導電型については成長用基板上の半導体層の導電型に対応させることが好ましく、本実施形態に適用可能な化合物半導体基板としてｎ型ＩｎＰ基板及びｎ型ＧａＡｓ基板を例示することができる。
【0051】
＜支持基板＞
支持基板１０としては、当該支持基板１０上に発光層４０を成長させる成長用基板を用いることができる。後述する接合法を用いる場合は、成長用基板とは異種の種々の基板を支持基板１１０（図４参照）として使用してもよい。
支持基板１０としては、当該支持基板１０上に発光層４０を成長させる成長用基板を用いることができる。後述する接合法を用いる場合は、成長用基板とは異種の種々の基板を支持基板１１０（図４参照）として使用してもよい。
【0052】
＜介在層＞
支持基板１０上に介在層２０を設けてもよい。支持基板１０として成長用基板を用いる場合、介在層２０をIII-V族化合物半導体層とすることができる。成長用基板としての支持基板１０上に半導体層をエピタキシャル成長させるための初期成長層として用いることができる。また、例えば、成長用基板としての支持基板１０と、ｎ型クラッド層３１との間の格子歪みを緩衝させるためのバッファ層として用いることもできる。また、成長用基板と介在層２０を格子整合させつつ、半導体組成を変えることで、エッチングストップ層としても用いることができる。例えば支持基板がｎ型のＩｎＰ基板である場合は、介在層２０をｎ型ＩｎＧａＡｓ層とすることが好ましい。この場合、介在層２０をＩｎＰ成長用基板と格子整合させるため、III族元素におけるＩｎ組成比を０．３以上０．７以下とすることが好ましく、０．５以上０．６以下とすることがより好ましい。また上記のＩｎＧａＡｓと同程度にＩｎＰ基板と格子定数が近くなる組成比とするならば、ＡｌＩｎＡｓやＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰとしてもよい。介在層２０は、単層であってもよいし、あるいは、他層との複合層（例えば超格子層）であっても良い。
支持基板１０上に介在層２０を設けてもよい。支持基板１０として成長用基板を用いる場合、介在層２０をIII-V族化合物半導体層とすることができる。成長用基板としての支持基板１０上に半導体層をエピタキシャル成長させるための初期成長層として用いることができる。また、例えば、成長用基板としての支持基板１０と、ｎ型クラッド層３１との間の格子歪みを緩衝させるためのバッファ層として用いることもできる。また、成長用基板と介在層２０を格子整合させつつ、半導体組成を変えることで、エッチングストップ層としても用いることができる。例えば支持基板がｎ型のＩｎＰ基板である場合は、介在層２０をｎ型ＩｎＧａＡｓ層とすることが好ましい。この場合、介在層２０をＩｎＰ成長用基板と格子整合させるため、III族元素におけるＩｎ組成比を０．３以上０．７以下とすることが好ましく、０．５以上０．６以下とすることがより好ましい。また上記のＩｎＧａＡｓと同程度にＩｎＰ基板と格子定数が近くなる組成比とするならば、ＡｌＩｎＡｓやＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰとしてもよい。介在層２０は、単層であってもよいし、あるいは、他層との複合層（例えば超格子層）であっても良い。
【0053】
＜ｐ型半導体層＞
発光層４０及び必要に応じてｐ側のスペーサ層５２上にｐ型半導体層７０を設けることができる。ｐ型半導体層７０は発光層４０の側から順に、先に述べたｐ型クラッド層７１の他にｐ型コンタクト層７３を備えることができる。ｐ型クラッド層７１及びｐ型コンタクト層７３の間に中間層７２を設けることも好ましい。中間層７２を設けることで、ｐ型クラッド層７１及びｐ型コンタクト層７３の格子不整合を緩和することができる。発光層４０のIII-V族化合物半導体の組成に応じてｐ型半導体層７０のIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。発光層４０がＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体で構成される場合には、ｐ型クラッド層としてｐ型ＩｎＰを、中間層７２としてｐ型ＩｎＧａＡｓＰを、ｐ型コンタクト層７３としてＰを含まないｐ型ＩｎＧａＡｓを例示することができる。ｐ型半導体層７０の各層の膜厚は特に制限されないものの、ｐ型クラッド層７１の膜厚として１μｍ以上５μｍ以下を例示することができ、中間層７２の膜厚として１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下を例示することができ、ｐ型コンタクト層７３の膜厚として５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下を例示することができる。
発光層４０及び必要に応じてｐ側のスペーサ層５２上にｐ型半導体層７０を設けることができる。ｐ型半導体層７０は発光層４０の側から順に、先に述べたｐ型クラッド層７１の他にｐ型コンタクト層７３を備えることができる。ｐ型クラッド層７１及びｐ型コンタクト層７３の間に中間層７２を設けることも好ましい。中間層７２を設けることで、ｐ型クラッド層７１及びｐ型コンタクト層７３の格子不整合を緩和することができる。発光層４０のIII-V族化合物半導体の組成に応じてｐ型半導体層７０のIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。発光層４０がＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体で構成される場合には、ｐ型クラッド層としてｐ型ＩｎＰを、中間層７２としてｐ型ＩｎＧａＡｓＰを、ｐ型コンタクト層７３としてＰを含まないｐ型ＩｎＧａＡｓを例示することができる。ｐ型半導体層７０の各層の膜厚は特に制限されないものの、ｐ型クラッド層７１の膜厚として１μｍ以上５μｍ以下を例示することができ、中間層７２の膜厚として１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下を例示することができ、ｐ型コンタクト層７３の膜厚として５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下を例示することができる。
【0054】
＜電極＞
ｐ型半導体層７０上及び支持基板１０の裏面にそれぞれｐ型電極８０及びｎ型電極９０を設けることができ、各電極を構成するための金属材料は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属や、金と共晶合金を形成する金属（Ｓｎなど）などの一般的なものを用いることができる。さらに、各電極の電極パターンは任意であり、何ら制限されない。
ｐ型半導体層７０上及び支持基板１０の裏面にそれぞれｐ型電極８０及びｎ型電極９０を設けることができ、各電極を構成するための金属材料は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属や、金と共晶合金を形成する金属（Ｓｎなど）などの一般的なものを用いることができる。さらに、各電極の電極パターンは任意であり、何ら制限されない。
【0055】
これまで、化合物半導体基板を成長用基板として用い、これをそのまま支持基板１０として用いる実施形態を説明してきたが、本発明はこれに制限されない。本発明のIII-V族化合物半導体発光素子の支持基板としては、成長用基板上に各半導体層を形成した後、接合法により成長用基板を除去しつつ、Ｓｉ基板などの半導体基板、ＭｏやＷやコバールなどの金属基板、ＡｌＮなどを使用した各種サブマウント基板などを貼り合わせてこれを支持基板として用いることもできる（以下、「接合法」と称し、特開２０１８－００６４９５号公報及び特開２０１９－１１４６５０号公報を参照する）。接合法を用いた場合について図４を参照し、以下に説明する。なお、図中の符号下二桁は既述の構成と同様であり、重複する説明を省略する。
【0056】
接合法を用いる場合は、例えば成長用基板１０上に各半導体層を形成すればよい。そして、各半導体層を形成後に、金属反射層１２２と、支持基板１１０上に設けた金属接合層１２１とで両者を接合し、その後、成長用基板１０を除去すればよい。製造方法の実施形態については後述する。成長用基板１０を除去した後のIII-V族化合物半導体発光素子２００の構成をより具体的に説明する。III-V族化合物半導体発光素子２００は各電極以外にもIII-V族化合物半導体以外の層が設けられ得る。例えば、接合法を用いる場合では、Ｓｉ基板からなる支持基板１１０上には上述の初期成長層ではなく支持基板接合用の金属接合層１２１を含むように形成することができ、この上にｐ型半導体層１７０、発光層１４０、ｎ型クラッド層１３１が順次配置される。なお、金属接合層１２１上には、金属反射層１２２を設けることができる。さらに、金属反射層１２２の上には必要に応じてIII-V族化合物半導体層の他、オーミック電極部１８１や、島状に点在するオーミック電極部１８１を取り囲む誘電体層１６０が設けられ得る。誘電体材料としてはＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＩＴＯ等を例示することができる。
【0057】
なお、各層の導電型のｎ型／ｐ型を上記の実施形態と逆転できることは当然に理解される。
【0058】
（III-V族化合物半導体発光素子の製造方法）
本発明による前述のIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型クラッド層３１を形成する工程と、ｎ型クラッド層３１上に発光層４０を形成する工程と、発光層４０上に電子ブロック層４３を形成する工程と、電子ブロック層４３上にｐ型クラッド層７１を形成する工程と、を含む。
本発明による前述のIII-V族化合物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型クラッド層３１を形成する工程と、ｎ型クラッド層３１上に発光層４０を形成する工程と、発光層４０上に電子ブロック層４３を形成する工程と、電子ブロック層４３上にｐ型クラッド層７１を形成する工程と、を含む。
【0059】
また、必要に応じて、図３を参照して説明したIII-V族化合物半導体発光素子１００の各層を形成する工程を含んでもよい。障壁層４１及び井戸層４２として用いることのできるIII-V族化合物半導体材料並びにそれらの組成波長差及び格子定数差の各条件、さらには各膜厚、積層組数等については既述のとおりであり、重複する説明を省略する。
【0060】
III-V族化合物半導体層の各層は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。ＩｎＧａＡｓＰ系半導体であれば、例えば、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ａｓ源としてアルシン（ＡｓＨ３）、Ｐ源としてホスフィン（ＰＨ３）などを所定の混合比で用い、これらの原料ガスを、キャリアガスを用いつつ気相成長させることにより、成長時間に応じてＩｎＧａＡｓＰ系半導体層を所望の厚さでエピタキシャル成長させることができる。また、III族元素としてＡｌを用いる場合、Ａｌ源として例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などを用いればよく、V族元素としてＳｂを用いる場合、Ｓｂ源としてＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）などを用いればよい。さらに、各半導体層をｐ型又はｎ型にドーパントする場合は、所望に応じＳｉ、Ｚｎなどを構成元素に含むドーパント源のガスをさらに用いればよい。
【0061】
また、ｎ型電極及びｐ型電極などの金属層の形成は公知の手法を用いることができ、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱法などを用いることができる。接合法を用いる場合に誘電体層１６０を形成するのであればプラズマＣＶＤ法又はスパッタ法などの、公知の成膜法を適用すればよいし、必要に応じて公知のエッチング法を用いて凹凸形成することも可能である。
【0062】
接合法（先に言及した特開２０１８－００６４９５号公報および特開２０１９－１１４６５０号公報を参照する）を用いて図４に示す素子を形成する場合、例えば以下のようにしてIII-V族化合物半導体発光素子を作製することができる。
【0063】
まず、成長用基板１０上にエッチングストップ層１２０、ｎ型クラッド層１３１、発光層１４０、ｐ型クラッド層１７１、中間層１７２、ｐ型コンタクト層１７３を含むIII-V族化合物半導体層の各層を順次形成する（なお、図４は接合後の状態のため、天地逆転している）。次いで、ｐ型コンタクト層１７３上には島状に分散したｐ型オーミック電極部１８１を形成する。その後、ｐ型オーミック電極部１８１及びその周辺にレジストマスクを形成し、オーミック電極部１８１を形成した場所以外のｐ型コンタクト層１７３をウェットエッチング等により除去し、中間層１７２を露出させる。そして、中間層１７２上に誘電体層１６０を形成する。さらに、誘電体層１６０を部分的にエッチングすることでｐ型オーミック電極部１８１の上部及びｐ型オーミック電極部１８１の周辺部分の中間層１７２を露出させる。金属反射層１２２をｐ型オーミック電極部１８１、ｐ型オーミック電極部１８１の周辺部に露出した中間層１７２及び除去していない領域の誘電体層１６０の上を含む全面に形成する。
【0064】
一方、支持基板１１０として導電性Ｓｉ基板などを用いて、支持基板上に金属接合層１２１を形成する。金属反射層１２２及び金属接合層１２１を対向配置して加熱圧縮等により接合する。そして、成長用基板をエッチングして除去しエッチングストップ層１２０を露出させる。エッチングストップ層１２０上にｎ型電極１９０を形成し、ｎ型電極形成箇所以外のエッチングストップ層１２０をエッチングして除去する、もしくは、エッチングストップ層１２０の一部以外をエッチングして除去した後に、エッチングストップ層１２０の一部の上にｎ型電極１９０を形成することで、接合型のIII-V族化合物半導体発光素子２００を得ることができる。前述のとおり、各層の導電型のｎ型／ｐ型を上記例と逆転しても構わない。
【0065】
以上、本実施形態の説明を行ったが、実施形態はこれに限定されず、本発明の範囲内において、公知の技術を用いての種々の変形は可能である。例えば、初期成長層及びエッチングストップ層１２０、ｎ型クラッド層１３１、ｎ側のスペーサ層１３２、ｐ側のスペーサ層１５２、ｐ型クラッド層１７１、中間層１７２、ｐ型コンタクト層１７３の各層は、いずれも単層であってもよいし他層との複合層（例えば超格子層）であってもよいし組成傾斜を含んでいても良い。また、一部にトンネルジャンクションを積層した構造を入れることもできる。以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【0066】
狙いの発光中心波長を１４８０ｎｍとして、以下の実施例１～５及び比較例１、２、３４、６に係るIII-V族化合物半導体発光素子を接合法により作製した。また、同様に狙いの発光中心波長を１３３０ｎｍとして、以下の実施例６、７及び比較例５、７を作製した。
【0067】
（実施例１）
実施例１によるIII-V族化合物半導体発光素子２００のIII-V族化合物半導体層の各構成については図４の符号を参照し、後述の支持基板に接合する前の成長用基板の上に成長された状態について表２に厚さとドーパント濃度を示す。Ｓドープのｎ型ＩｎＰ基板を成長用基板１０として用いた。ｎ型ＩｎＰ基板（Ｓドープ、ドーパント濃度２．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の（１００）面上に、厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＰ層及び厚さ２０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ層（それぞれを初期成長層及びエッチングストップ層１２０）、厚さ３５００ｎｍのｎ型ＩｎＰ層（ｎ型クラッド層１３１）、厚さ１００ｎｍのｉ型ＩｎＰ層（ｎ側のスペーサ層１３２）、詳細を後述する発光層１４０、厚さ２０ｎｍのｉ型ＩｎＡｌＡｓ層（電子ブロック層１４３）、厚さ３００ｎｍのｉ型ＩｎＰ層（ｐ側のスペーサ層１５２）、厚さ２４００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層（ｐ型クラッド層１７１）、厚さ５０ｎｍのｐ型Ｉｎ０．８Ｇａ０．２Ａｓ０．５Ｐ０．５層（中間層１７２）、厚さ１００ｎｍのｐ型Ｉｎ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ層（ｐ型コンタクト層１７３）をＭＯＣＶＤ法により順次形成した。ｎ型ＩｎＰ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓ層（それぞれを初期成長層及びエッチングストップ層１２０）、ｎ型ＩｎＰ層（ｎ型クラッド層１３１）はＳｉドープを行い、ドーパント濃度は５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。ｐ型ＩｎＰ層（ｐ型クラッド層１７１）はＺｎドープを行い、ドーパント濃度は７．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層（中間層１７２）、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層（ｐ型コンタクト層１７３）はＺｎドープを行い、ドーパント濃度は１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。
実施例１によるIII-V族化合物半導体発光素子２００のIII-V族化合物半導体層の各構成については図４の符号を参照し、後述の支持基板に接合する前の成長用基板の上に成長された状態について表２に厚さとドーパント濃度を示す。Ｓドープのｎ型ＩｎＰ基板を成長用基板１０として用いた。ｎ型ＩｎＰ基板（Ｓドープ、ドーパント濃度２．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の（１００）面上に、厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＰ層及び厚さ２０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ層（それぞれを初期成長層及びエッチングストップ層１２０）、厚さ３５００ｎｍのｎ型ＩｎＰ層（ｎ型クラッド層１３１）、厚さ１００ｎｍのｉ型ＩｎＰ層（ｎ側のスペーサ層１３２）、詳細を後述する発光層１４０、厚さ２０ｎｍのｉ型ＩｎＡｌＡｓ層（電子ブロック層１４３）、厚さ３００ｎｍのｉ型ＩｎＰ層（ｐ側のスペーサ層１５２）、厚さ２４００ｎｍのｐ型ＩｎＰ層（ｐ型クラッド層１７１）、厚さ５０ｎｍのｐ型Ｉｎ０．８Ｇａ０．２Ａｓ０．５Ｐ０．５層（中間層１７２）、厚さ１００ｎｍのｐ型Ｉｎ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ層（ｐ型コンタクト層１７３）をＭＯＣＶＤ法により順次形成した。ｎ型ＩｎＰ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓ層（それぞれを初期成長層及びエッチングストップ層１２０）、ｎ型ＩｎＰ層（ｎ型クラッド層１３１）はＳｉドープを行い、ドーパント濃度は５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。ｐ型ＩｎＰ層（ｐ型クラッド層１７１）はＺｎドープを行い、ドーパント濃度は７．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層（中間層１７２）、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層（ｐ型コンタクト層１７３）はＺｎドープを行い、ドーパント濃度は１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。
【0068】
発光層１４０の形成に際しては、障壁層となるｉ型Ｉｎａ１Ｇａｂ１Ａｌｃ１Ａｓ層（障壁層１４１）をまず形成し、次いで井戸層となるｉ型Ｉｎａ２Ｇａｂ２Ａｌｃ２Ａｓ層（井戸層１４２）及び障壁層となるｉ型Ｉｎａ１Ｇａｂ１Ａｌｃ１Ａｓ層（障壁層１４１）を１０層ずつ交互に積層し、１０．５組の積層体とした。すなわち、発光層１４０の両端はともに障壁層１４１である。障壁層１４１は、厚さ８ｎｍのＩｎ０．５２６４Ｇａ０．３１６６Ａｌ０．１５７０Ａｓである。すなわち、Ｉｎ組成比（ａ１）が０．５２６４、Ｇａ組成比（ｂ１）が０．３１６６、Ａｌ組成比（ｃ１）が０．１５７０である。また、井戸層１４２は、厚さ１０ｎｍのＩｎ０．５４３５Ｇａ０．３９７６Ａｌ０．０５８９Ａｓである。すなわち、Ｉｎ組成比（ａ２）が０．５４３５、Ｇａ組成比（ｂ２）が０．３９７６、Ａｌ組成比（ｃ２）が０．０５８９である。そして、上述したように格子定数を計算し、ＳＴＲＪａｐａｎ社製シュミレーションソフト（ＳｉＬＥＮＳｅ）を用いてバンド構造を計算した。障壁層１４１及び井戸層１４２の、厚み、組成比、組成波長及び格子定数の値、ｐ型ＩｎＰ層（ｐ型クラッド層１７１）のキャリア濃度、電子ブロック層（ＥＢＬ層）の組成を表３に記載する。実施例１のクラッド層Ｅｃを基準としたバンドギャップにおいて、バンドギャップの大きい方からバンドギャップの小さい方を引いた値は、伝導帯側では、Ｅｃ－Ｅｃｂは０．３７１ｅＶ、Ｅｃ－Ｅｃｓは０．１６９ｅＶであり、Ｅｃｓ－Ｅｃｂは０．３７１ｅＶ－０．１６９ｅＶ＝０．２０２ｅＶであった。また、価電子帯側では、Ｅｖｂ－Ｅｖは０．１３０ｅＶ、Ｅｖ－Ｅｖｓは０．０７７ｅＶであり、Ｅｖｂ－Ｅｖｓは０．１３０ｅＶ＋０．０７７ｅＶ＝０．２０８ｅＶであった。これらの値を表４に記載する。なお、上記した実施例１における各層の各組成はＳＩＭＳ分析により測定した値である。発光層の各層については発光層を露出させた後にＳＩＭＳ分析して各層の固相比を確認した。また、シュミレーションソフトを用いて計算した実施例１発光層及びその前後の半導体層におけるバンド構造を比較例１の計算結果と併せての図５に示す。
【0069】
【表2】
【0070】
ｐ型コンタクト層上には島状に分散したｐ型オーミック電極部１８１（Ａｕ／ＡｕＺｎ／Ａｕ、合計厚さ：５３０ｎｍ）を形成した。なお、島状のパターン形成にあたっては、レジストパターンを形成し、次いでオーミック電極部１８１を蒸着し、レジストパターンのリフトオフにより形成した。チップ面積に対するｐ型オーミック電極部１８１面積の割合（接触面積率）は０．９５％であり、チップサイズは２８０μｍ角である。
【0071】
次に、ｐ型オーミック電極部１８１及びその周辺にレジストマスクを形成し、オーミック電極部１８１を形成した場所以外のｐ型コンタクト層１７３を、酒石酸－過酸化水素系のウェットエッチングにより除去し、中間層１７２を露出させた。その後、プラズマＣＶＤ法により中間層１７２上の全面にＳｉＯ２からなる誘電体層１６０（厚さ：７００ｎｍ）を形成した。そして、ｐ型オーミック電極部１８１の上方領域に、幅方向及び長手方向に幅３μｍを付加した形状の窓パターンをレジストで形成し、ｐ型オーミック電極部１８１及びその周辺の誘電体層１６０を、ＢＨＦによるウェットエッチングにより除去し、ｐ型オーミック電極部１８１の上部及びｐ型オーミック電極部１８１周辺の中間層１７２を露出させた。
【0072】
次に、金属反射層１２２を中間層１７２上の全面（ｐ型オーミック電極部１８１の上部、誘電体層１６０の上部、及びｐ型オーミック電極部１８１周辺の露出した中間層１７２）に蒸着により形成した。金属反射層（Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕ）の各金属層の厚さは、順に２ｎｍ、６５０ｎｍ、１００ｎｍ、９００ｎｍである。一方、支持基板となる導電性Ｓｉ基板（厚さ：２００μｍ）上に、金属接合層１２１を形成した。金属接合層（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の各金属層の厚さは、順に６５０ｎｍ、１０ｎｍ、９００ｎｍである。
【0073】
これら金属反射層１２２及び金属接合層１２１を対向配置して、３１５℃で加熱圧縮接合を行った。そして、ｎ型ＩｎＰ基板１１０を塩酸希釈液によりウェットエッチングして除去した。
【0074】
エッチングストップ層１２０上に、上面電極の配線部として、ｎ型電極１９０（Ａｕ（厚さ：１０ｎｍ）／Ｇｅ（厚さ：３３ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：５７ｎｍ）／Ｎｉ（厚さ：３４ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：８００ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ：１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：１０００ｎｍ））を、レジストパターン形成、ｎ型電極の蒸着、レジストパターンのリフトオフにより形成した。さらに、パッド部（Ｔｉ（厚さ：１５０ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ：１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：２５００ｎｍ））をｎ型電極上に形成し、上面電極のパターンを形成した。そして、ｎ型電極１９０の直下とその近傍以外のエッチングストップ層１２０をウェットエッチングにより除去し、粗面化処理を行った。その後、パッド部の上面を除くIII-V族化合物半導体発光素子２００の上面と側面に誘電体の保護膜（図示しない）を形成した。
【0075】
（実施例２、実施例３、実施例４）
スペーサ層１５２の厚みを２００ｎｍ、１００ｎｍ及びスペーサ層なしに変更した以外は、実施例１と同様にして実施例２、実施例３及び実施例４に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
スペーサ層１５２の厚みを２００ｎｍ、１００ｎｍ及びスペーサ層なしに変更した以外は、実施例１と同様にして実施例２、実施例３及び実施例４に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0076】
（実施例５）
障壁層１４１の組成を、Ｉｎ０．５２６４Ｇａ０．３１６６Ａｌ０．１５７０ＡｓからＩｎ０．５２６４Ｇａ０．１６２６Ａｌ０．３１１０Ａｓに変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例５に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
障壁層１４１の組成を、Ｉｎ０．５２６４Ｇａ０．３１６６Ａｌ０．１５７０ＡｓからＩｎ０．５２６４Ｇａ０．１６２６Ａｌ０．３１１０Ａｓに変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例５に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0077】
（実施例６）
障壁層１４１の組成を、Ｉｎ０．５２６４Ｇａ０．３１６６Ａｌ０．１５７０ＡｓからＩｎ０．５４５３Ｇａ０．２４４０Ａｌ０．２１０７Ａｓに、井戸層１４２の組成を、Ｉｎ０．５４３５Ｇａ０．３９７６Ａｌ０．０５８９ＡｓからＩｎ０．５６０１Ｇａ０．３０８８Ａｌ０．１３１１Ａｓに変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例６に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
障壁層１４１の組成を、Ｉｎ０．５２６４Ｇａ０．３１６６Ａｌ０．１５７０ＡｓからＩｎ０．５４５３Ｇａ０．２４４０Ａｌ０．２１０７Ａｓに、井戸層１４２の組成を、Ｉｎ０．５４３５Ｇａ０．３９７６Ａｌ０．０５８９ＡｓからＩｎ０．５６０１Ｇａ０．３０８８Ａｌ０．１３１１Ａｓに変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例６に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0078】
（実施例７）
スペーサ層１５２の厚みを１００ｎｍに変更した以外は、実施例６と同様にして実施例７に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
スペーサ層１５２の厚みを１００ｎｍに変更した以外は、実施例６と同様にして実施例７に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0079】
（比較例１）
スペーサ層１５２の厚みを３２０ｎｍに変更し、電子ブロック層１４３を設けなかった以外は、実施例１と同様にして比較例１に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
スペーサ層１５２の厚みを３２０ｎｍに変更し、電子ブロック層１４３を設けなかった以外は、実施例１と同様にして比較例１に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0080】
（比較例２、比較例３）
スペーサ層１５２の厚みを１００ｎｍ及びスペーサ層なしに変更した以外は、比較例例１と同様にして比較例２及び比較例３に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
スペーサ層１５２の厚みを１００ｎｍ及びスペーサ層なしに変更した以外は、比較例例１と同様にして比較例２及び比較例３に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0081】
（比較例４）
スペーサ層１５２及び電子ブロック層１４３を設けなかった以外は、実施例５と同様にして比較例４に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
スペーサ層１５２及び電子ブロック層１４３を設けなかった以外は、実施例５と同様にして比較例４に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0082】
（比較例５）
スペーサ層１５２の厚みを３２０ｎｍに変更し、電子ブロック層１４３を設けなかった以外は、実施例５と同様にして比較例４に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
スペーサ層１５２の厚みを３２０ｎｍに変更し、電子ブロック層１４３を設けなかった以外は、実施例５と同様にして比較例４に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0083】
（比較例６）
電子ブロック層１４３の組成をＩｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐに変更した以外は、実施例１と同様にして比較例６に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
電子ブロック層１４３の組成をＩｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐに変更した以外は、実施例１と同様にして比較例６に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0084】
（比較例７）
電子ブロック層１４３の組成をＩｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐに変更した以外は、実施例６と同様にして比較例７に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
電子ブロック層１４３の組成をＩｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐに変更した以外は、実施例６と同様にして比較例７に係るIII-V族化合物半導体発光素子を得た。
【0085】
実施例と比較例について、障壁層１４１の組成及び井戸層１４２の組成から算出されるそれぞれの組成波長及び格子定数を表３に記載した。そして、伝導帯側におけるＥｃ－Ｅｃｂ、Ｅｃ－Ｅｃｓ、Ｅｃｓ－Ｅｃｂのバンドギャップを、また、価電子帯側におけるＥｖｂ－Ｅｖ、Ｅｖ－Ｅｖｓ、Ｅｖｂ－Ｅｖｓのバンドギャップを、それぞれ表４に記載した。
【0086】
【表3】
【0087】
【表4】
【0088】
（発光特性の評価）
実施例１～７、比較例１～７のそれぞれに係るIII-V族化合物半導体発光素子に対し、定電流電圧電源を用いて順方向電流Ｉｆ（ｍＡ）が３０ｍＡ及び３６ｍＡの電流をそれぞれ流したときの順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）、積分球による発光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定した。また、スペクトルアナライザ（横河計測株式会社製AQ6374）による発光中心波長λｐ（ｎｍ）及び半値幅(FWHM、単位ｎｍ)もそれぞれ測定した。なお、測定の際にはそれぞれ３個の試料の測定結果の平均値を求めた。次いで、発光出力をその時の注入電力で除することにより、Ｐｏ／（Ｖｆ・Ｉｆ）を算出し、この値を注入電力あたりの発光出力の指標とした。それぞれの測定結果及び算出結果を表４に示す。
実施例１～７、比較例１～７のそれぞれに係るIII-V族化合物半導体発光素子に対し、定電流電圧電源を用いて順方向電流Ｉｆ（ｍＡ）が３０ｍＡ及び３６ｍＡの電流をそれぞれ流したときの順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）、積分球による発光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定した。また、スペクトルアナライザ（横河計測株式会社製AQ6374）による発光中心波長λｐ（ｎｍ）及び半値幅(FWHM、単位ｎｍ)もそれぞれ測定した。なお、測定の際にはそれぞれ３個の試料の測定結果の平均値を求めた。次いで、発光出力をその時の注入電力で除することにより、Ｐｏ／（Ｖｆ・Ｉｆ）を算出し、この値を注入電力あたりの発光出力の指標とした。それぞれの測定結果及び算出結果を表４に示す。
【0089】
（ドーパント拡散評価）
代表例として、実施例３の発光素子におけるドーパント拡散状況を、ＳＩＭＳにより測定した。測定結果を図６に示す。
代表例として、実施例３の発光素子におけるドーパント拡散状況を、ＳＩＭＳにより測定した。測定結果を図６に示す。
【0090】
表４の結果より、本発明に従うバンドギャップの関係を満足する実施例は、いずれも注入電力あたりの発光出力が大きいことが分かる。また、電子ブロック層を設けつつ、スペーサ層の厚さのみが異なる実施例１～３に着目すると、スペーサ層を薄くするほど、注入電力あたりの発光出力が大きくなっている。一方、電子ブロック層を設けない比較例１～３においては、注入電力あたりの発光出力が小さいか、そもそも発光しない。このことは実施例５と、比較例４との関係においても同様の結果であった。さらに、発光波長が１３３０ｎｍ周辺の実施例６、７及び比較例５においても、電子ブロック層を設けた実施例５、６においてはスペーサ層が薄い方が注入電力あたりの発光出力が大きく、電子ブロック層を設けない比較例５においては、注入電力あたりの発光出力が実施例に比べて小さい。
【0091】
また、図６を参照すると、実施例３において、ｐ型クラッド層（ＩｎＰ）中のドーパントであるＺｎに関し、電子ブロック層内においてはＺｎ濃度が急減しており、隣接する発光層においても極めて低いＺｎ濃度（ＩｎＧａＡｓ定量値で１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ＩｎＰ定量値で７×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）を保持している。図示しないが、本発明の電子ブロック層が無くスペーサ層が薄い比較例２や比較例３では、発光層のｐ型層側において１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えるＺｎ濃度が観察される。また、電子ブロック層がＩｎＡｌＰからなる比較例６においても、実施例１に比べるとＺｎの拡散が増える。これらのことから、実施例ではＶ族元素がＡｓである電子ブロック層が存在するために、Ｚｎの拡散が抑制されたと理解することができる。
【産業上の利用可能性】
【0092】
本発明によれば、従来の発光素子に比べて、注入電力あたり発光出力が良好なIII-V族化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することができ、有用である。
【符号の説明】
【0093】
１０ 支持基板
２０ 介在層
３１ ｎ型クラッド層
３２ ｎ側スペーサ層
４０ 発光層
４１ 障壁層
４２ 井戸層
４３ 電子ブロック層
５２ ｐ側スペーサ層
６０ 誘電体層
７０ ｐ型半導体層
７１ ｐ型クラッド層
７２ 中間層
７３ ｐ型コンタクト層
８０ ｐ型電極
９０ ｎ電極
１００ III-V族化合物半導体発光素子
２０ 介在層
３１ ｎ型クラッド層
３２ ｎ側スペーサ層
４０ 発光層
４１ 障壁層
４２ 井戸層
４３ 電子ブロック層
５２ ｐ側スペーサ層
６０ 誘電体層
７０ ｐ型半導体層
７１ ｐ型クラッド層
７２ 中間層
７３ ｐ型コンタクト層
８０ ｐ型電極
９０ ｎ電極
１００ III-V族化合物半導体発光素子
【要約】
【課題】従来の発光素子に比べて、注入電力あたり発光出力が良好なIII-V族化合物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明のIII-V族化合物半導体発光素子は、n型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層をこの順に有し、前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップは、前記障壁層のバンドギャップ及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップよりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップよりも大きく、価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップは、前記障壁層のバンドギャップと、前記クラッド層のバンドギャップとの間にある。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のIII-V族化合物半導体発光素子は、n型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層をこの順に有し、前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープの電子ブロック層を有し、前記発光層は、障壁層及び井戸層を繰り返し積層してなる積層構造を有し、伝導帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップは、前記障壁層のバンドギャップ及び前記ｐ型クラッド層のバンドギャップよりも大きく、かつ、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップよりも大きく、価電子帯において、前記電子ブロック層のバンドギャップは、前記障壁層のバンドギャップと、前記クラッド層のバンドギャップとの間にある。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】